试论数控机床电气系统可靠性

于福来

摘要：数控机床不断的发展，国外依靠成熟的技术以及制造水平，技术水平不断提高，我国的机床面临的竞争越来越激烈，作为数控机床的核心，不断的提高电气系统的可靠性，让电气系统保持长久稳定，舒适人机界面，安全可靠的可持续状态，是制造出高精度经济型的数控机床的基础。

关键词：数控机床；电气系统；可靠性

数控系统的可靠性设计值，要通过制造和装配过程予以保证和实现。低劣的制造和装配工艺，可靠性设计值就成为根本不能兑现的空话，因此对关键的制造工序和装配工序要建立可靠性保证体系。制造和装配工艺水平落后，过多的手工操作和人为参与是国产数控系统可靠性的软肋。对于国产数控系统这种小批量生产的产品，现有的工艺水准，很难从硬件制造的角度保证系统的可靠性。国际名牌数控系统的大批生产，采用机器人焊接，实现全自动制造，减少人为参与，避免了由于人为不慎所造成的失误。数控机床电气系统一般没有齐全的技术资料，系统一旦出现故障，别人很难从源代码解读，只有原编者才能修改。因此要加紧建立软件可靠性保证体系，对软件的研制、测试、运行和维护各阶段进行计划、组织、监督控制和指导。对开发的数控机床电气系统软件要进行可靠性论证，制定软件的可靠性考核办法，以便有效提高软件可靠性。

一、数控系统可靠性低的原因

近几年来数控机床企业界有了一些新的认识，数控机床毛病最多的是电气控制部分，其次才是机械部分。电气部分故障率高的是数控系统部分，其他部分出现故障的概率很少。通过对数控机床的故障统计分析得知，电气系统故障绝大多数是国产机电元件质量差所引起的。其中国产元件存在质量问题最多的包含机械触点继电器、开关、按键、键盘、接插器、屏蔽电缆、电容、连接器、交流插座等。根据一项国外的统计，计算机的故障中90%是电源本身的故障和来自电源对干扰的传导，往往强电设备对电源系统是存在一定的影响的，强电在使用中会产生很强的脉冲噪声，通过各种途径传导影响电子设备的正常运行。根据电磁兼容性（EMC）原理，首先把电源搞好，从电源系统抑制干扰更有效。因为电源系统往往是噪声的“媒体”通过馈线传播干扰。近年来，虽然电网供电质量有较大提高，但是各地工厂的具体情况差别很大，部分工厂电压波动超过士15%，这时往往伴随着种种噪声干扰，系统会时好时坏，故障率明显增加。

二、数控机床电气系统可靠性问题分析

现阶段数控机床电气系统可靠性问题突出，展开相应的可靠性问题分析研究具有积极的现实意义与价值。数控机床电气系统正如上文所述是机床的核心，电气系统可靠性属于综合性问题，造成可靠性下降的问题因素较多。随着数控机床越发普及，数控机床电气系统故障问题也日益凸显。电气系统故障在数控机床故障中占比超过70%，而在多数的数控机床电气系统故障原因当中，元器件质量低等相关原因较为突出。我国国产的数控机床设备，因机电元器件质量差直接导致了机床电气系统控制效能下降，影响着数控机床运行效率和生产质量。总体来看国产数控机床机械触点继电器、开关、按键、键盘、接插器、屏蔽电缆、电容、连接器、交流插座等元器件的故障率高。数控机床电气系统受外部电源干扰而失灵或失控的情况时有发生。通常情况下强电设备对电源系统都有影响，强电会产生较强的脉冲噪音，噪音通过一些途径对电气系统各部件造成影响，使电气系统稳定性下降。做好电源系统噪音抑制早已经成为机床设计的一项基础工作，但目前电源干扰问题并没有因为技术创新和设计完善而彻底解决，避免电源干扰还需要电网优化等其他措施加以辅助，目前来看困难较大。数控机床的日常使用规范性和维保工作到位率也是影响电气系统可靠性的关键因素。目前个别企业在数控机床使用过程中，注重生产效率而轻视了使用规范性，违规操作情况突出，同时企业在设备维保方面的投入也不到位，发现问题解决问题成为常态，缺乏维保的及时性和有效性。

三、数控机床电气系统可靠性的策略

数控机床电气系统的可靠性水平从根本上说是在设计阶段决定的，是通过实际的制造和生产管理实现的。凡是为提高产品可靠性水平而采取的设计技术都称为可靠性设计。目前由于数控机床电气系统产品缺乏真实可用的可靠性数据，无法实现在真正意义上进行可靠性的预计和分配。但我们可以采取多种实用的可靠性设计措施，如制订可靠性设计准则、可靠性设计检查表，实行可靠性设计评审，在故障分析基础上进行可靠性改进设计等。可靠性设计准则，被日本的企业界认为是产品可靠性设计的三大法宝之一。它是在对产品进行故障模式、危害度和影响分析的基础上，选用更加可靠的零件、元器件，采用简化设计、优化设计、降额设计、热设计、冗余设计、环境设计、人机工程设计等技术，从而保证产品的可靠性。经过大量的研究实验和实践，我们必须认识到要想把CNC做好，首要问题是解决电源的问题，确定提高数控机床电气系统可靠性要以供电电源为突破口，切实提高电源的电网适应能力和电磁兼容性能力。首先大胆采用降额设计技术，重点是选择功率器件（大功率三极管、快恢复二极管等）以及低通电源滤波器，电解电容等。降额设计的使用应包括电流、电压和功率等电学应力降额，也应包括像振动、温度、冲击等环境应力方面的降额。在进行设计时不仅要充分考虑稳态性能，还要兼顾脉冲状态以及环境变化时所引起的供电波动、浪涌和干扰等情况。因此，在进行数控机床电气系统的设计阶段要留有足够的余量。当进行环境设计时也应考虑抗振设计和热设计的加固技术。数控机床电气系统的安装好坏对数控机床的可靠性和稳定运行是至关重要的。

参考文献：

[1]賈亚洲.数控系统可靠性国内外现状及对策[J].中国制造业信息化，2016.

[2]周国平.数控机床电气系统的特点及维修实例[J].中国新技术新产品，2017.

（作者单位：沈阳机床股份有限公司）endprint